集成Ad Hoc和移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的切換算法

摘要：傳統(tǒng)切換算法不能適應(yīng)多準(zhǔn)則切換的要求，基于多準(zhǔn)則切換算法的實現(xiàn)越來越重要，必須發(fā)展新的技術(shù)來提高切換算法的有效性，在用戶滿意度和網(wǎng)絡(luò)效率間形成平衡。智能和優(yōu)化切換算法對像集成自組網(wǎng)(Ad hoc)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的混合網(wǎng)絡(luò)具有很好的適應(yīng)性和魯棒性，能夠根據(jù)未來混合網(wǎng)絡(luò)中的各種業(yè)務(wù)類型的服務(wù)質(zhì)量需求、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及移動節(jié)點條件等多種因素的變化進行自適應(yīng)切換，可以運用這些智能優(yōu)化算法來進行更加有效的切換判決，從而提高系統(tǒng)的性能。更進一步的研究方向是在集成Ad hoc和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，使用智能或優(yōu)化技術(shù)設(shè)計垂直切換算法來提高系統(tǒng)整體性能。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)能夠提供普遍的覆蓋和高的移動性支持，而自組織(Ad hoc)可以在通信熱點地區(qū)提供高的數(shù)據(jù)傳輸速率。因而蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Ad hoc被認為是兩種互補的系統(tǒng)。將這兩種網(wǎng)絡(luò)相互融合可以提高各自的性能。通過Ad hoc中繼，相當(dāng)于延伸了蜂窩網(wǎng)的空中接口，從而擴展了蜂窩網(wǎng)的覆蓋范圍；由于可以通過多跳中繼接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)，從而可以減小移動終端的發(fā)射功率；通過中繼可以減小小區(qū)間和小區(qū)內(nèi)的干擾，從而可以提高系統(tǒng)的容量，解決熱點地區(qū)的負載均衡問題。圖1顯示了集成Ad hoc和移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一些場景。圖1中的移動節(jié)點可以通過兩跳中繼的方法接入基站，場景1的移動節(jié)點通過中繼可以減少發(fā)射功率，并且可以提高它的數(shù)據(jù)傳送速率；而在場景2中處在死區(qū)覆蓋范圍的節(jié)點可以通過中繼節(jié)點接入到基站中，從而延伸基站的覆蓋范圍，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。

為了在Ad hoc和移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)這種集成環(huán)境中為用戶提供一個透明和自配置的服務(wù)，需要解決一些特定的問題。

一個基本的問題是選擇何種技術(shù)(或通信接口)為一個特定的應(yīng)用開始一個連接的建立？另一個問題是何時轉(zhuǎn)換一個運行中的連接從一個接口到另一個上(即垂直切換)。在支持Ad hoc方式的蜂窩移動通信系統(tǒng)中，切換問題是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Ad hoc是兩種不同類型的系統(tǒng)，在這種異類網(wǎng)絡(luò)中進行切換比在一般的同類網(wǎng)絡(luò)中切換要復(fù)雜得多，需要考慮移動節(jié)點在何時進行切換以及進行何種類型的切換等問題。移動用戶的檔案(例如價格、數(shù)據(jù)傳輸率、電池壽命、業(yè)務(wù)類型和移動模式等)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)(例如信號強度、鏈路質(zhì)量、可獲得的帶寬，擁塞狀態(tài)等)可以用于幫助接入網(wǎng)的選擇和切換。所以通過設(shè)計有效的切換算法，除了可以滿足用戶需求的目標(biāo)以外，對于特定技術(shù)的選擇或執(zhí)行一個垂直切換的決定同樣可以增強整個系統(tǒng)的性能或?qū)崿F(xiàn)負載平衡的功能。

1 Ad Hoc與蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合的研究現(xiàn)狀

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)正一步步向下一代移動因特網(wǎng)發(fā)展，即將蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)、Ad hoc、無線局域網(wǎng)(WLAN)等無線網(wǎng)絡(luò)和有線因特網(wǎng)連接起來為用戶提供“永遠在線”、盡可能高速的數(shù)據(jù)速率以及動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)接入。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合后的無線網(wǎng)絡(luò)具有許多性能優(yōu)勢，因而也成為目前移動通信領(lǐng)域研究的熱點之一。現(xiàn)階段，對于無線網(wǎng)絡(luò)融合的研究主要集中在任意兩種網(wǎng)絡(luò)的融合，主要的研究方向是蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN及蜂窩網(wǎng)和Ad hoc的融合。其中，蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN作為已經(jīng)較成熟的網(wǎng)絡(luò)是目前網(wǎng)絡(luò)融合中比較常用的方式，而蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Ad hoc的融合由于Ad hoc的自組織和自維護性能受到了廣泛的關(guān)注。目前，國內(nèi)外的研究組織已經(jīng)就Ad hoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)與蜂窩移動通信系統(tǒng)的結(jié)合問題開展了一些研究[1]。

隨機驅(qū)動多址接入(ODMA)[2]是在第三代移動通信系統(tǒng)中引入自組織網(wǎng)絡(luò)的一種嘗試。由于信道的路徑損耗，在蜂窩小區(qū)邊界處只能支持相對較低的傳輸速率，ODMA通過無線傳輸?shù)亩嗵�中繼能夠?qū)�時分雙工(TDD)系統(tǒng)的高速率覆蓋擴展到小區(qū)邊界，從而減少了傳輸功率和共信道干擾，增加系統(tǒng)容量和提高小區(qū)邊界無線傳輸?shù)挠行�性。文獻[3]中提出了一種在蜂窩GSM系統(tǒng)中引入Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的A-GSM體系結(jié)構(gòu)。在A-GSM系統(tǒng)中，通過增加中繼功能來擴大系統(tǒng)的覆蓋范圍，從而有效地解決死區(qū)的問題，提高了系統(tǒng)的容量和對錯誤鏈路的魯棒性。其基本思想類似于ODMA系統(tǒng)，所不同的是A-GSM支持移動節(jié)點在基站覆蓋范圍之外的通信，而ODMA不支持。Hongyi Wu等人在文獻[4]提出了支持中繼的蜂窩和自組織集成系統(tǒng)(iCAR)的體系結(jié)構(gòu)，它是將蜂窩體系和Ad hoc中繼技術(shù)集成來動態(tài)平衡負載的有效方式。iCAR系統(tǒng)在地理區(qū)域內(nèi)有一組Ad hoc中繼站(ARS)，移動節(jié)點和基站的信號由ARS傳遞。每個ARS具有兩個空中接口，一個與基站通信(稱為蜂窩接口)，一個與移動節(jié)點或其他ARS通信(稱為中繼接口)。iCAR系統(tǒng)使用ARS來平衡小區(qū)之間的流量負載，ARS能夠?qū)⒘髁繌囊粋�過載的小區(qū)轉(zhuǎn)移到一個沒有擁塞的小區(qū)。Haiyun Luo等人在文獻[5]中提出了融合蜂窩網(wǎng)和自組網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)框架(UCAN)的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。UCAN的基本目標(biāo)是當(dāng)在基站和移動節(jié)點之間的下行鏈路信號質(zhì)量變差時，通過使用多跳路由來提高系統(tǒng)的吞吐量。系統(tǒng)使用了具有更好下行鏈路質(zhì)量的代理節(jié)點來中繼數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點。在UCAN中每個用戶終端都具備兩個空中接口，使其既支持3G蜂窩鏈路也支持基于IEEE 802.11的點到點鏈路。文獻[6]中提出的一種新型的系統(tǒng)：支持自組織中繼的蜂窩系統(tǒng)(PARCEL)。它是一種在現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)中引入自組網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)方式的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它在綜合自組網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)各自優(yōu)點的基礎(chǔ)上，提出了一種在蜂窩網(wǎng)中引入自組網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)方式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。PARCEL的主要目的是均衡業(yè)務(wù)負載，并且避免小區(qū)擁塞。以解決目前在蜂窩網(wǎng)中出現(xiàn)的“熱點”(Hot-spot)問題。

2 傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的切換算法

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)移動終端(MT)移開一個基站時，信號水平將會下降，并且需要切換到另一個基站上。切換是一種機制，將在移動節(jié)點和對應(yīng)終端之間正在進行中的連接從一個連接點轉(zhuǎn)移到另一個基站上[7]。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，連接點稱為基站(BS)，在WLAN中，稱為接入點(AP)。

切換算法可分為3個過程：切換發(fā)起、切換判決和切換執(zhí)行。切換發(fā)起過程主要是指系統(tǒng)通過對信號強度等參數(shù)的測量，得出是否需要進行切換的決定；切換判決過程是指系統(tǒng)根據(jù)周圍環(huán)境或用戶選擇的一些度量，通過一定的算法來判斷選擇哪一個網(wǎng)絡(luò)作為切換的目標(biāo)；切換執(zhí)行過程主要是指系統(tǒng)在切換過程中的無線鏈路傳輸和對切換呼叫的信道分配。切換度量是所測量到的質(zhì)量，它們給出一個是否需要切換的指示。在移動語音和移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中用于判斷越區(qū)切換的各種度量標(biāo)準(zhǔn)[8]，包括：

(1)接收信號強度(RSS)、路徑損耗、載干比(CIR)、信號干擾比(SIR)、誤比特率(BER)、誤塊率(BLER)、誤符號率(SER)、功率預(yù)算和小區(qū)分級都被用作度量標(biāo)準(zhǔn)，它們單獨或聯(lián)合用于特定的移動語音或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中。

(2)為了避免“乒乓效應(yīng)”，即由于從所有基站中所接收信號強度的快速波動而引起的在兩個基站之間的來回切換，算法中使用了額外的參數(shù)，例如，滯后余量、停留計時器和平均窗口。額外的參數(shù)(當(dāng)可以得到時)可以用來做出更加智能的判斷。這種參數(shù)還包括了MT與接入點之間的距離、MS的速度、服務(wù)小區(qū)中的流量特性等等。

切換算法的性能[9]是由確定的性能測試結(jié)果決定的，在移動語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中具有不同的性能指標(biāo)：

(1)在移動語音網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的性能測試中，移動語音網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的性能包括呼叫阻塞概率、越區(qū)切換阻塞率、越區(qū)切換請求與執(zhí)行之間的延時、呼叫中斷概率等。越區(qū)切換率(每單位時間越區(qū)切換的次數(shù))與“乒乓效應(yīng)”有關(guān)，在算法設(shè)計上通常都使不必要的越區(qū)切換次數(shù)最小化。

(2)在移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的性能測試中，越區(qū)切換率的最小化是很重要的，但是還存在其他一些問題，包括吞吐量最大化、在越區(qū)切換過程和完成之后維持服務(wù)質(zhì)量(QoS)的保證。

基于接收信號強度(RSS)的傳統(tǒng)切換算法如圖2所示，其中縱坐標(biāo)代表移動節(jié)點從基站1(BS1)和基站2(BS2)所接收到的信號強度；橫坐標(biāo)代表切換的時間或移動節(jié)點從BS1到BS2的移動距離。兩條曲線的交叉點代表了從兩個基站所接收到的相同的信號。

　　(1)基于相對信號強度(RSS)，選擇具有最強接收信號的BS。

(2)基于RSS和閾值。如果一個新的BS的RSS超過了當(dāng)前BS的RSS，并且當(dāng)前BS信號低于閾值T 時，才可以進行越區(qū)切換。在圖2中相應(yīng)的閾值和切換點為(T1，A)、(T2，B)和(T3，D)。

(3)基于RSS和滯后余量。如果一個新的BS的RSS大于舊的BS的RSS加上滯后余量之和(h )，就可以進行越區(qū)切換。在圖2中相應(yīng)的切換點為(C)。

(4)基于RSS、滯后余量和閾值。如果一個新的BS的RSS大于舊的BS的RSS加上滯后余量之和，并且當(dāng)前BS信號強度低于閾值T時，才可以進行越區(qū)切換。在圖2中相應(yīng)的閾值和切換點為(T3，D)。

(5)基于算法和停留計時器。有時停留計時器用于其他一些算法中。當(dāng)滿足算法的條件時，計時器開始計時。如果在計時器到時期間，條件持續(xù)滿足，才可以進行越區(qū)切換。

在傳統(tǒng)切換算法中，由于切換是根據(jù)RSS大小進行基站選擇的，這樣會引發(fā)太多不必要的切換。因為如果當(dāng)前的基站信號仍然足夠強的時候，基于閾值的RSS切換算法允許用戶在當(dāng)前信號足夠微弱(低于一個閾值)，并且另一個基站信號更強的時候進行切換，但是由于延遲會降低通信鏈路質(zhì)量而導(dǎo)致呼叫丟失。此外，還會引起對同信道用戶的干擾�；�于滯后余量和閾值的RSS允許用戶在新基站的信號強度足夠大于當(dāng)前基站時進行切換。這種方法阻止了所謂的“乒乓效應(yīng)”。但是缺點和基于閾值的RSS切換算法相同，由于切換延遲較長而導(dǎo)致業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的下降。但是由于傳統(tǒng)切換算法比較簡單，實現(xiàn)起來比較容易，所以目前大部分的無線系統(tǒng)仍采用這些算法。

3 集成Ad Hoc與蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的切換算法

目前，第四代移動通信系統(tǒng)(4G)雖然還沒有形成統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)，但是它的基本設(shè)想基于全IP結(jié)構(gòu)，是可以在多種接入方式中靈活切換的多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)。接入網(wǎng)可以采用多種協(xié)議(如MANET、IEEE 802.11、HIPERLAN2等)，并且終端可以在各個接入網(wǎng)之間實現(xiàn)無縫漫游和切換。在不同網(wǎng)絡(luò)間的切換稱為垂直切換。當(dāng)不同的網(wǎng)絡(luò)提供互相補充的服務(wù)時，作為一種選擇，垂直切換可能會被觸發(fā)(甚至在當(dāng)前系統(tǒng)的鏈路質(zhì)量還沒有下降的情況下)。因此，需要更加智能的切換算法來判決應(yīng)該進行何種類型的切換。

就像前面所提到的，在傳統(tǒng)切換中的切換度量只考慮了信號強度和可獲得的信道等信息。在4G系統(tǒng)中，以下新的度量被建議和信號強度測量結(jié)合起來使用[10-11]。

(1)業(yè)務(wù)類型：不同業(yè)務(wù)需要可靠性、延遲和數(shù)據(jù)率的各種組合。

(2)貨幣成本：成本對于用戶來說是一個主要的考慮因素，由于不同網(wǎng)絡(luò)采用不同的計費策略，會影響用戶切換的選擇。

(3)網(wǎng)絡(luò)條件：網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)，例如通信量，可獲得的帶寬，網(wǎng)絡(luò)延遲和擁塞對于網(wǎng)絡(luò)有效使用也許需要被考慮。使用網(wǎng)絡(luò)信息進行切換的選擇對于不同網(wǎng)絡(luò)間的負載平衡、減輕某個系統(tǒng)的擁塞情況也有幫助。

(4)系統(tǒng)性能：為了保證系統(tǒng)性能，在切換判決中采用了各種參數(shù)。例如信道傳播特性、路徑損耗、信道間干擾、信噪比(SNR)和誤比特率(BER)。此外，電池能量對某些用戶而言也許是另一個重要的因素。

(5)移動節(jié)點條件：移動節(jié)點條件包括動態(tài)的因素，例如速度、移動模式、移動的歷史記錄和位置信息。

(6)用戶喜好：對一種類型的系統(tǒng)和另一種相比較而言，用戶喜好可以被用于迎合特殊的需求。

在蜂窩與WLAN集成網(wǎng)絡(luò)中，由于WLAN能夠提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率被用來與蜂窩網(wǎng)進行融合，作為蜂窩網(wǎng)在熱點地區(qū)的高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，為用戶提供高速數(shù)據(jù)服務(wù)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN相融合的主要系統(tǒng)是通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)網(wǎng)與WLAN的融合以及通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)與WLAN的融合。目前融合方案的重點主要放在路由、切換等方面。這種集成網(wǎng)絡(luò)的切換主要發(fā)生在蜂窩基站和WLAN接入點覆蓋的重疊范圍內(nèi)[12]。而在蜂窩與Ad hoc集成網(wǎng)絡(luò)中，可以認為每個移動節(jié)點構(gòu)成一個虛擬微微蜂窩，小區(qū)的半徑為節(jié)點的信號傳播范圍，而每個移動節(jié)點相當(dāng)于小區(qū)中的基站。因此，蜂窩與Ad hoc集成網(wǎng)絡(luò)可以被認為是一個包含微蜂窩和許多虛擬“移動”微微蜂窩的平臺。在蜂窩與Ad hoc集成網(wǎng)絡(luò)中，移動節(jié)點具有兩個空中接口，因此移動節(jié)點的切換就比單一的網(wǎng)絡(luò)要復(fù)雜，它存在4種切換：

(1)不同蜂窩基站的切換；

(2)從蜂窩鏈路向Ad hoc中繼鏈路切換；

(3)從Ad hoc中繼鏈路向蜂窩鏈路切換；

(4)不同Ad hoc中繼鏈路間切換。

其中不同蜂窩基站的切換和傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)的硬切換或軟切換相同，而不同Ad hoc中繼鏈路之間的切換和一般自組網(wǎng)中的路由算法相似。所以在集成蜂窩與Ad hoc中所特殊的兩種切換為蜂窩鏈路與Ad hoc中繼鏈路間的雙向切換。

原理上，根據(jù)切換觸發(fā)原因，切換可以分類為必要的和優(yōu)化的切換。切換由于低的鏈路質(zhì)量是必然然絡(luò)般自組織形成統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)，但是它的基本設(shè)想是叫中斷概率等等的，因為為了保持進行的連接，切換決定和執(zhí)行必須要快速地執(zhí)行。主要地，從接入點和鄰居接入點測量到的接收信號強度(RSS)被用于切換決定，其他的標(biāo)準(zhǔn)同樣可以使用，例如載干比、信號干擾比、誤比特率等等。而通過切換提供給用戶更好的性能或為了滿足一個特定的偏好，可以被認為是優(yōu)化切換。這些切換可以容忍更長的切換時延，并且可以細分為成QoS相關(guān)切換和認證、授權(quán)和計費(AAA)相關(guān)切換。例如，一個用戶也許需要更多的帶寬來加速數(shù)據(jù)傳輸，或一個更便宜的網(wǎng)絡(luò)來減少業(yè)務(wù)成本。所以在集成蜂窩網(wǎng)絡(luò)與Ad hoc中，垂直切換可以由下面兩種原因而觸發(fā)。

(1)必要切換

當(dāng)移動節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸過程中由于和當(dāng)前服務(wù)的基站之間的單跳或多跳路徑發(fā)生中斷，而被迫發(fā)生的切換。這種類型的切換可能是由于當(dāng)前基站失效或節(jié)點的移動觸發(fā)的，并且切換是在當(dāng)前鏈路發(fā)生中斷以后，新的鏈路建立之前發(fā)生的，所以屬于硬切換類型。

(2)優(yōu)化切換

當(dāng)移動節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)現(xiàn)了另外一條更好的傳輸路徑或系統(tǒng)為了獲得負載平衡時，會發(fā)生優(yōu)化切換。這種類型的切換可以提高每個移動節(jié)點鏈路的通信質(zhì)量或通過負載平衡算法緩解熱點小區(qū)的擁塞，并且切換也可以在鏈路中斷之前，新的鏈路建立以后發(fā)生，所以既可以屬于硬切換也可以屬于軟切換類型。

下面介紹集成結(jié)構(gòu)中的3種混合切換算法，分別為基于信號強度的切換算法、基于鏈路質(zhì)量的切換算法、基于負載平衡的切換算法。其中第一種切換算法屬于必要切換，而后面兩種算法屬于優(yōu)化切換。這3種切換算法分別應(yīng)用于不同的集成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，用于提高特定系統(tǒng)的性能。

3.1 Ad Hoc與蜂窩網(wǎng)間基于信號強度的切換算法

在市區(qū)高密度建筑地區(qū)，移動節(jié)點也許與基站之間存在非視線路徑(NLOS)，當(dāng)移動終端拐過一個街角時，由于失去了和服務(wù)基站的視線路徑(LOS)，移動節(jié)點所接收到的信號將嚴重下降(大約下降20～30 dB)。這就是街角效應(yīng)(Corner effect)[13]。在這種情況下，如果切換不能執(zhí)行得很快的話，呼叫可能會丟失。在文獻[14]中使用了位置輔助的中繼和切換算法，在這個系統(tǒng)中，移動節(jié)點被認為可以估計出它的地理位置并具有建立和附近節(jié)點直接連接的能力，從而形成一個臨時的無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)。移動節(jié)點的位置信息允許我們估計出每個節(jié)點的移動圖，這個估計可以用來動態(tài)地調(diào)整滯后余量值，鼓勵或阻礙切換。如果在節(jié)點和基站之間的鏈路質(zhì)量下降到一定的閾值水平時，位置信息被用于選擇最好的候選移動節(jié)點作為中繼，并在最佳時間中繼或切換到另一個基站上。仿真結(jié)果表明就呼叫中斷率、激活組更新率和平均激活組數(shù)量而言，比為通用電信無線接入(UTRA)設(shè)計的軟切換(SHO)算法有很大的性能提高。

在一些地區(qū)，任何通信系統(tǒng)都不能提供成功地呼叫通信，這些地區(qū)包括地鐵站臺、室內(nèi)環(huán)境和地下室等地區(qū)。這被稱為死區(qū)效應(yīng)(Dead spot)。在文獻[3]中，使用了基于信號閾值的切換算法。根據(jù)測量到的信號強度和設(shè)定閾值的比較，移動節(jié)點在蜂窩和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)之間切換，這樣可以增強蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，減輕死區(qū)效應(yīng)對系統(tǒng)的影響，并且通過降低發(fā)射功率可以增加系統(tǒng)容量和減少蜂窩之間的干擾。對不同模式的基于信號閾值切換算法如下：

(1)不同蜂窩基站的切換

服務(wù)基站的平均信號強度下降到閾值以下

鄰居基站的平均信號強度超過閾值

(2)從蜂窩鏈路向Ad hoc中繼鏈路切換

如果下列條件同時滿足時，從蜂窩鏈路向Ad hoc中繼鏈路切換將會執(zhí)行。

服務(wù)基站的平均信號強度下降到閾值以下

鄰居基站的平均信號強度沒有超過閾值

鄰居MT的平均信號強度超過閾值

(3)從Ad hoc中繼鏈路向蜂窩鏈路切換

如果當(dāng)MT周圍基站的平均信號強度超過閾值時，從Ad hoc中繼鏈路向蜂窩鏈路切換將會執(zhí)行。

(4)不同Ad hoc中繼鏈路之間的切換

如果下列條件同時滿足時，不同Ad hoc中繼鏈路之間的切換將會執(zhí)行。

任何基站的平均信號強度沒有超過閾值

中繼服務(wù)MT的平均信號強度下降到閾值以下

鄰居MT的平均信號強度超過閾值

切換判決算法如圖3所示[3]。其中RSSBS_c和RSSBS_n分別是MT從當(dāng)前服務(wù)基站和鄰居基站所接收到的平均信號強度，RSSMT_c和RSSMT_n分別是MT從當(dāng)前服務(wù)中繼和鄰居移動中繼所接收到的平均信號強度。TCellular和TAdHoc分別是蜂窩網(wǎng)和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的切換閾值。

3.2 Ad Hoc與蜂窩網(wǎng)間基于鏈路質(zhì)量的切換算法

在基站覆蓋范圍內(nèi)移動節(jié)點，可以通過多跳路由的方法提高系統(tǒng)的吞吐量。當(dāng)基站與節(jié)點之間的下行信道質(zhì)量低于特定的閾值時，節(jié)點便切換到Ad hoc模式下。系統(tǒng)通過尋找具有最好下行信道質(zhì)量的代理主機將數(shù)據(jù)包中繼到目的節(jié)點。UCAN使用高速數(shù)據(jù)速率(HDR)下行信道作為切換算法的度量標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)中每個移動節(jié)點都維護一個移動平均的下行信道速率，這個信道狀態(tài)可以通過測量HDR下行鏈路的導(dǎo)頻信號進行估計。移動平均可以濾除由于快衰落引起的信道狀況高頻率的變化，并且獲得基于距離的慢衰落環(huán)境中的信號強度。如果目的節(jié)點的下行信道速率變差時(如低于38.6 kb/s)，節(jié)點通過切換到多跳模式上從而使得基站轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)幀到一個具有最好信道速率的節(jié)點上(代理網(wǎng)關(guān))，這些數(shù)據(jù)幀將通過高帶寬的802.11b鏈路被進一步中繼到中間節(jié)點，最后到達目的節(jié)點。

文獻[15]同樣使用了移動節(jié)點下行信道質(zhì)量進行切換，決定算法的判決，從基站所接收的較差下行信道質(zhì)量的節(jié)點可以使用兩跳連接的方式獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸率。和UCAN不同的是，系統(tǒng)中的代理網(wǎng)關(guān)通過它的WLAN接口周期性地廣播中繼廣告消息，消息中包含的信道狀態(tài)信息(CSI)和帶寬指示數(shù)值被用于決定是否建立一條直接蜂窩連接或一條兩跳中繼的連接。文獻[15]提到了直接和兩跳中繼通信的功率消耗、終端的移動模式和應(yīng)用的時間限制也可以作為切換決定算法的判決因素。

文獻[16]介紹了在蜂窩碼分多址接入(CDMA)系統(tǒng)中，通過引入帶外多跳中繼，可以顯著地提高系統(tǒng)的容量。中繼節(jié)點和移動節(jié)點之間的通信可以通過Ad hoc空中接口進行，從而不會消耗CDMA系統(tǒng)的容量。文獻[16]介紹了3種動態(tài)中繼節(jié)點的選擇因素，分別是具有相對低的干擾中繼(ARRI)、具有最好鏈路增益的中繼(ARLG)和具有最短距離中繼(ARSD)。其中ARRI和ARLG動態(tài)地跟蹤當(dāng)前CDMA鏈路質(zhì)量。當(dāng)移動節(jié)點發(fā)現(xiàn)當(dāng)前直接鏈路的質(zhì)量較低時，ARLG尋找與服務(wù)基站具有最好鏈路增益的中繼節(jié)點進行切換，而使用ARRI度量的方法考慮了與服務(wù)基站的鏈路質(zhì)量和對鄰居小區(qū)的干擾狀況的因素，ARSD則選擇與服務(wù)基站距離最近的中繼節(jié)點。仿真結(jié)果顯示動態(tài)跟蹤CDMA鏈路質(zhì)量(ARRI和ARLG)的方法和基于距離的中繼選擇(ARSD)方法相比較，可以獲得更高的系統(tǒng)容量。所以通過使用基于鏈路質(zhì)量的切換算法，將移動節(jié)點從直接蜂窩通信切換到多跳中繼通信模式，不僅提高了整個系統(tǒng)的容量和吞吐，而且擴大了基站的覆蓋范圍。

3.3 Ad Hoc與蜂窩網(wǎng)間基于負載平衡的切換算法

傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中的通信都要通過基站或接入點實現(xiàn)，但由于頻率資源的有限性，就算建立更多的基站，擁塞問題仍然存在。當(dāng)小區(qū)內(nèi)移動用戶超過負荷時就會發(fā)生擁塞，這種擁塞小區(qū)可以稱之為“熱點小區(qū)”。為了避免熱點小區(qū)，一種解決方法是減小小區(qū)的范圍，增加小區(qū)數(shù)量，使每個小區(qū)的用戶數(shù)目下降，但這將需要建立大量基站來保證覆蓋率，耗資巨大，同時基站的利用率很低。另外一個方法就是將Ad hoc網(wǎng)絡(luò)模式引入蜂窩網(wǎng)。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)在吞吐量、延時和節(jié)省功率等方面都有較好的性能，缺點是不適合應(yīng)用到廣域網(wǎng)。因此將Ad hoc網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)結(jié)合，利用兩種網(wǎng)絡(luò)各自的優(yōu)點解決熱點擁塞問題。

PARCEL系統(tǒng)使用了負載平衡算法，在當(dāng)前小區(qū)發(fā)生嚴重擁塞之前，通過中繼方式將流量從擁塞小區(qū)中繼到鄰居小區(qū)。系統(tǒng)中的基站周期性發(fā)送它的擁塞狀態(tài)消息到所在小區(qū)中的移動節(jié)點，這個擁塞狀態(tài)反映了所占用數(shù)據(jù)信道的比例。當(dāng)移動節(jié)點接收到這個消息時，如果發(fā)現(xiàn)所在小區(qū)將要發(fā)生擁塞時，開始通過廣播路由發(fā)現(xiàn)消息來尋找一條中繼路由。當(dāng)路由發(fā)現(xiàn)消息到達一個具有較多空閑信道小區(qū)的移動節(jié)點時，一個路由返回消息沿著反向路徑傳送回到源節(jié)點。在找到一些中繼路由以后，進行查找的源節(jié)點通過計算中繼期望數(shù)值選擇最好的中繼路由，這個中繼期望數(shù)值是中繼路由長度、節(jié)點的功率狀和移動節(jié)點的移動模式的加權(quán)函數(shù)。最后源節(jié)點將所期望的路由發(fā)送到所在基站，基站然后選擇其中的一些源節(jié)點通過中繼的方式切換到鄰居小區(qū)中，從而使得基站獲得了負載平衡。

iCAR在蜂窩系統(tǒng)中引入了Ad hoc中繼站(ARS)，使得當(dāng)某個小區(qū)發(fā)生擁塞時，利用這些ARS，將擁塞小區(qū)的業(yè)務(wù)向沒有擁塞的小區(qū)轉(zhuǎn)移。當(dāng)移動節(jié)點進入一個擁塞小區(qū)時，在節(jié)點上發(fā)起的新的呼叫或運行中的呼叫不會阻塞或丟失，而是將呼叫從蜂窩接口切換到Ad hoc接口，通過路由算法尋找小區(qū)中ARS來建立一條從本節(jié)點到鄰居小區(qū)基站的路徑，節(jié)點首先廣播“路由查詢”消息到所有鄰居ARS來尋找一條到達非擁塞小區(qū)基站的中繼路由，具有到達這些基站的ARS返回路由表中的信息到移動節(jié)點。節(jié)點然后選擇一個最好的ARS作為代理，并發(fā)送“路由建立”消息到這個ARS。代理ARS根據(jù)路由信息中繼“路由建立”消息最后到達網(wǎng)關(guān)ARS。網(wǎng)關(guān)ARS然后請求基站為它分配一個專用信道(DCH)，并且發(fā)送確認消息返回移動節(jié)點從而完成中繼路由的建立。一旦移動節(jié)點收到確認，便切換到Ad hoc接口，并開始通過中繼路由傳送數(shù)據(jù)。

集成Ad hoc和蜂窩網(wǎng)絡(luò)與一般的集成WLAN和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的切換方式不同在于當(dāng)用戶需要接入Internet時，前者可以通過切換到多跳方式而接入到基站，而后者只需要在基站和接入點之間直接進行一跳的切換。所以在集成Ad hoc和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的切換過程中，需要考慮路由算法對切換造成的影響。在大多數(shù)融合結(jié)構(gòu)中使用了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(GN)作為蜂窩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和MANET結(jié)構(gòu)之間的接口。當(dāng)發(fā)生必要切換或優(yōu)化切換時，網(wǎng)絡(luò)必須為移動節(jié)點提供一些方法來發(fā)現(xiàn)GN以保持進行中的業(yè)務(wù)不會中斷。基本的網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)可以通過先應(yīng)式和反應(yīng)式方法執(zhí)行，并且每個方法具有各自的優(yōu)缺點。先應(yīng)式方案一般提供了更加快速的響應(yīng)時間，以更多地控制流量開銷作為代價。而反應(yīng)式發(fā)現(xiàn)可以減少控制流量的數(shù)量，但是不能獲得同樣的響應(yīng)時間。先應(yīng)式方法被用于A-GSM等結(jié)構(gòu)中，在那里GN周期性地發(fā)送廣告消息。在UCAN系統(tǒng)中，當(dāng)移動節(jié)點需要多跳接入基站時才開始搜索網(wǎng)關(guān)，所以屬于反應(yīng)式方法。有兩個不同的發(fā)現(xiàn)協(xié)議：一個是移動節(jié)點跟蹤它鄰居節(jié)點的下行傳輸速率來尋找一個網(wǎng)關(guān)；另一個是網(wǎng)關(guān)請求被傳送直到一個候選網(wǎng)關(guān)被發(fā)現(xiàn)。

通過對上述切換算法和網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)算法的分析，可以將目前所研究的集成網(wǎng)絡(luò)切換方法進行分類，分類如表1所示�；�于信號強度的切換算法主要用于解決死區(qū)和街角效應(yīng)問題，雖然能擴展蜂窩系統(tǒng)的覆蓋范圍，提高整個系統(tǒng)的吞吐性能，但是它對系統(tǒng)中變化的傳播環(huán)境、流量密度和用戶的移動速度等參數(shù)缺乏自適應(yīng)的能力，這樣會引起網(wǎng)絡(luò)間負載的不均衡，并可能導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量的下降。由于流量轉(zhuǎn)移可以緩解熱點地區(qū)因容量飽和而造成的呼叫阻塞和切換中斷，所以流量轉(zhuǎn)移也是在蜂窩系統(tǒng)中引入自組網(wǎng)方式的一個重要原因。自組網(wǎng)的動態(tài)中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能可以有效地調(diào)整熱點地區(qū)的流量，實現(xiàn)流量的動態(tài)分配，從而提高熱點地區(qū)的服務(wù)能力和服務(wù)質(zhì)量�；�于負載平衡的切換算法雖然可以將在擁塞小區(qū)中的節(jié)點通過多跳中繼切換到非擁塞小區(qū)來達到小區(qū)間的負載平衡，但是它只是考慮了系統(tǒng)整體性能，而沒有對單個移動節(jié)點的性能進行優(yōu)化。并沒有考慮別的切換度量對系統(tǒng)性能帶來的影響�；�于鏈路質(zhì)量的切換算法主要用于高速下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在數(shù)據(jù)傳輸速率降低時，移動節(jié)點切換到多跳傳送模式，通過在信道質(zhì)量更好的地方用網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收數(shù)據(jù)，并通過高速的IEEE 802.11協(xié)議向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)來實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)連接。雖然基于鏈路質(zhì)量的切換算法可以提高在小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是沒有考慮其他切換度量對系統(tǒng)性能帶來的影響，所以可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。所有3種切換算法都是各自不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而設(shè)計的，并且只是簡單地考慮了一種切換度量，而為了達到最佳的網(wǎng)絡(luò)性能，需要綜合地考慮當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源的利用率、網(wǎng)絡(luò)的負載均衡程度、業(yè)務(wù)的QoS要求以及用戶的移動特性等各種因素對切換算法造成的影響。

4 結(jié)束語

由于集成Ad hoc和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的獨特結(jié)構(gòu)，必須針對其特點設(shè)計專門的切換解決方案。

在集成Ad hoc和蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，有兩種通信方式：傳統(tǒng)蜂窩方式和混合方式(經(jīng)過多跳中繼最終接入基站)。因此，當(dāng)這幾種通信方式都能實現(xiàn)用戶的通信需求時，就需要解決不同通信方式的切換問題。目前在集成Ad hoc和蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，對切換算法的研究還不多，主要借鑒了和在單一網(wǎng)絡(luò)中使用的傳統(tǒng)切換算法。但是這種借用傳統(tǒng)算法的系統(tǒng)性能不是最優(yōu)的，因為它不能克服傳統(tǒng)算法中參數(shù)無法自適應(yīng)變化的特點。在所提出的混合架構(gòu)中的一般目標(biāo)是增強用戶的吞吐量和提高整個系統(tǒng)的性能，沒有考慮在傳輸模式選擇、路由處理或切換過程中應(yīng)用的QoS需求。隨著新的切換度量的開發(fā)，傳統(tǒng)切換算法已經(jīng)不能適應(yīng)多準(zhǔn)則切換性能的要求。而基于多準(zhǔn)則切換算法的實現(xiàn)越來越重要，特別是在混合網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)和用戶交互的增加將增加切換時延。因此必須發(fā)展新的技術(shù)來提高切換算法的有效性，在用戶滿意度和網(wǎng)絡(luò)效率間形成平衡。近來新出現(xiàn)了一些技術(shù)，例如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯系統(tǒng)、模式識別的智能技術(shù)和基于代價函數(shù)、模糊多屬性決策的優(yōu)化技術(shù)。由于智能和優(yōu)化切換算法對像集成Ad hoc和蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的混合網(wǎng)絡(luò)具有很好的適應(yīng)性和魯棒性，并且能夠根據(jù)未來混合網(wǎng)絡(luò)中的各種業(yè)務(wù)類型的QoS需求、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及移動節(jié)點條件等多種因素的變化進行自適應(yīng)切換，所以可以考慮運用這些智能和優(yōu)化算法來進行更加有效的切換判決，從而進一步提高系統(tǒng)的性能。下一步研究方向是在集成Ad hoc和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，使用智能或優(yōu)化技術(shù)設(shè)計一種垂直切換算法來提高系統(tǒng)的整體性能。

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